Investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) diseñaron y demostraron una tecnología simple de separación de partículas que puede reducir el tiempo y el dinero necesarios para limpiar los desechos radiactivos de la producción de armas nucleares.
Según los científicos, la tecnología puede tener amplios usos industriales, incluido el procesamiento de alimentos, la fabricación avanzada, la ciencia de los aerosoles, los fluidos supercríticos, el petróleo y el gas y el procesamiento de desechos ambientales.
en un papel publicado en la revista Ingeniería Química y Procesamiento: Intensificación de Procesosel grupo PNNL explica que su tecnología de separación recientemente desarrollada separó con rapidez y éxito las partículas más grandes de las más pequeñas a varias escalas con varias mezclas sólido-líquido diferentes.
La demostración a escala de banco mantuvo un flujo del 94 % durante siete horas sin interrupción del trabajo por obstrucción. Además, las pruebas trabajaron a una tasa de 90 galones por minuto a través de una tubería de tres pulgadas, que es un flujo óptimo para operaciones industriales.
“Esa tasa de flujo de 90 galones por minuto era la cantidad necesaria para posibles aplicaciones industriales, y se pueden lograr tasas de flujo más rápidas”, dijo Leonard Pease, el inventor principal e ingeniero químico de PNNL, en un comunicado de prensa.
diseño pachinko
Pease señaló que el sistema de separación se asemeja a una serie de discos de hockey huecos llenos de filas de postes individuales. Cada fila de publicaciones descendentes está ligeramente desplazada de la fila de arriba. El equipo lo apodó “pachinko” debido a su parecido con el popular juego que se usa en los carnavales y en los concursos de televisión.
Con la corriente de fluido moviéndose a velocidades de hasta 90 galones por minuto, los postes crean campos de flujo únicos que hacen que las partículas más grandes se muevan en la dirección deseada. Los investigadores han creado «carriles rápidos» dentro del sistema para eliminar partículas más grandes. El novedoso diseño de los postes es una gran mejora para los flujos turbulentos.
En un sistema a gran escala, varios conjuntos de discos con diferentes diseños de postes guiarán las partículas a su propio carril rápido, separando piezas relativamente grandes (alrededor de 1 centímetro o del tamaño de un caramelo de cabeza de limón) hasta 20 micrones (aproximadamente el tamaño de un glóbulo blanco).
Al apilar discos uno detrás de otro, “se obtienen economías de escala sin agregar una infraestructura más costosa”, dijo Pease.
El separador funciona tanto en modo horizontal como vertical, incluidos los flujos de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba.
Matrices de golpes
Inspirados por las matrices de impacto utilizadas en el campo de la medicina, Pease y sus colegas Michael Minette y Carolyn Burns sabían que las partículas grandes podían separarse de las corrientes de proceso a velocidades de flujo muy bajas, pero el proceso aún no se había demostrado a velocidades de flujo altas.
Una corriente pequeña y lenta, llamada flujo laminar, es tranquila, constante y predecible. A medida que el flujo se vuelve más grande y más rápido, llamado flujo turbulento, comienza a girar.
Pensaron que tendrían que ceñirse al flujo laminar para mantener las partículas en los carriles correctos. En una tubería de acero de 3 pulgadas, común para las operaciones de desechos nucleares, dicha configuración restringiría el caudal a menos de cinco galones por minuto, lo cual no es lo ideal. Correr en condiciones turbulentas era la única forma de lograr los caudales operativos deseados.
El equipo, por lo tanto, diseñó un dispositivo inicial para trabajar en una tubería vertical.
“La sabiduría convencional decía que el sistema funcionaría solo en un flujo laminar suave, pero demostramos que también funciona en un flujo turbulento”, dijo Minette.
El éxito en condiciones de flujo turbulento llevó al grupo al concepto de dinámica de seguimiento de flujo. “Nos dimos cuenta de que la mayoría de las partículas más grandes no rebotaban en los postes, sino que eran impulsadas por corrientes de flujo creadas por los postes”, dijo Minette.
En este diseño, los postes crean corrientes de flujo que dirigen las partículas grandes al carril rápido para que puedan eliminarse, lo que reduce en gran medida la erosión de los pines y prolonga la vida útil de los dispositivos.
“Me sorprendió que los pasadores no se rompieran ni se erosionaran; aguantaron el flujo y los materiales agresivos”, dijo Burns. “Esta evidencia experimental fue un gran avance en la funcionalidad del sistema”.
